生態公益林補償政策對植被覆蓋時空格局的影響
——以杭州市臨安區為例

周 婷，張 勇，嚴力蛟，*

1 浙江大學生命科學學院生態規劃與景觀設計研究所，杭州 310058 2 浙江省林業生態工程管理中心，杭州 310020

城市化的迅速擴張以及城市發展過程中強烈的人類活動對天然林地和其他生態系統造成了嚴重破壞，與此同時也促進了一系列生態補償政策的施行[1- 5]。在最近的幾十年內，全球相關政府部門都積極開展保護環境以及生態系統服務的補償政策，這些政策通過直接或間接的經濟補償或輸送社會福利，激勵個體、組織減少對自然資源的過度開發和利用[6- 7]。全球著名的生態補償政策如哥斯達黎加的環境服務補償計劃，該計劃對天然林保護和森林管理進行生態補償，對當地的森林恢復起到了很大的作用[8- 9]。由于一系列政策、自然以及社會經濟因素的驅動，拉丁美洲、歐洲和亞洲的一些發展中國家的植被覆蓋在過去30年間呈現出一個逐漸上升的趨勢[7,10- 12]。

中國從改革開放至今約40年時間內實現了經濟的飛速發展，成為了世界第二大經濟體。但是我國經濟的增長建立在過度消耗自然資源的基礎上，并且導致了地區環境的退化，1998年在長江三角洲地區由于大面積砍伐森林而引起的特大洪澇災害使得數以百計的公民失去了生命，造成了2394億美元的經濟損失[3,5,7]。我國從1998年開始相繼推出了一系列生態補償措施，主要有1998年天然林資源保護工程、1999年退耕還林(草)工程以及2001年森林生態效益補償等[5]。這些森林保護政策的主要目的是為了保護和重建生態敏感和脆弱地區的森林[7]。國家林業局2016年的政府報告稱截止到2015年底，林業重點生態工程共完成造林面積284.05萬hm2，占全部造林面積的36.98%，其中天然林資源保護工程、退耕還林工程分別占全部造林面積的8.39%和8.28%[14]。2001年啟動的森林生態效益補償政策對國家重點生態公益林，即生態區位極為重要或生態狀況極為脆弱，對國土生態安全、生物多樣性保護和經濟社會可持續發展具有重要作用，以發揮森林生態和社會服務功能為主要經營目的的重點防護林和特種用途林進行經濟補償[15- 16]。截止2015年底，國家共完成林業建設投資320.26 億元[14]。

浙江省森林生態效益補償政策的實施與全國同步，于2000年編制了《浙江省生態公益林體系建設總體規劃》和《浙江省生態公益林建設綱要》[17- 18]。2001年全面展開了重點生態公益林區劃界定工作，重點公益林的區劃包括國家級公益林和省級公益林，于2004年底完成全省重點生態公益林的區位界定，全省共區劃界定公益林面積307.27萬hm2，占林業用地總面積46.9%，2005年開始對擁有生態公益林的個體或集體發放生態補償金[17]。在公益林劃定過程中，不同劃定等級面向對象不一致，國家級和省級公益林為重點公益林，重點生態公益林為生態位極為重要或生態狀況極為脆弱的地區，區位劃定遵循國家級公益林優于省級公益林優于市縣級公益林的原則[16- 18]。

臨安地處山區，耕地面積較小以及國家對耕地的嚴格控制使得近幾年城市發展對林地的占用加劇，林地保護壓力加大[19- 20]。作為第一批全國重點森林生態補償政策實施的試點城市，臨安境內有多個國家級自然保護區和國家級森林公園，該地區生態補償政策的實施效果對于評估政策在全國生態位敏感地區植被保護的作用具有示范意義。從2001年開始進行重點公益林的區劃布局，到2004年底臨安共有30萬畝林地劃入重點生態公益林保護區[18]。本研究通過NDVI(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)植被指數計算2001—2015年間植被覆蓋時空格局的變化，進一步分析了植被退化地區土地利用變化。在ArcGIS10.2軟件中建立臨安地區歸一化植被指數NDVI、多級公益林覆蓋邊界、中心城鎮用地、道路、海拔、重點森林保護區、河網分布和地形濕度指數的多要素地理空間數據集，用多元統計分析量化國家重點公益林生態補償政策對臨安植被保護的作用，以期為生態補償政策績效的定量評價和林地保護提供依據。

圖1 研究區地理位置及高程圖Fig.1 Geographical location andelevation of the study area

1 研究區域概況

臨安位于長江三角洲南端，浙江省西北部，地理位置為118°51′E—119°52′E, 29°56′N —30°23′N，全市土地總面積3119.09 km2。該地區屬于亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，全年平均氣溫16.4℃，月平均最低溫度4.1℃(1月)，月均最高溫度29.1℃(7月)，全年降雨量為1629 mm，整個縣區以山地為主，海拔高度為-6 m至1758 m。臨安是太湖流域和錢塘江支流分水江水系的源頭，水系流向復雜。其野生植物資源豐富，全市林地總面積占國土總面積的83.58%，森林覆蓋率達到78.01%，是首批全國生態建設示范市(圖1)。

2 研究方法

2.1 臨安植被覆蓋變化趨勢分析

本研究采用16 d一期250 m精度的MODIS3Q合成的歸一化植被指數NDVI數據，數據來源于美國航空航天局。為了與國家級公益林實施的時間保持一致，研究時間定為2001—2015年，下載每一年16 d一期的NDVI影像數據。采用目前國際上通過的最大值合成法(Maximum Value Composites, MVC)，對每年的NDVI數據分別進行最大化處理[21]。采用普通最小二乘法(Ordinary Least Squares)建立一元線性回歸模型，模擬15年間NDVI數據在每個柵格上的變化趨勢，對每個柵格的斜率進行T檢驗，取P< 0.05的柵格作為植被覆蓋變化研究對象。MODIS3Q影像的處理過程在ENVI 5.1軟件中進行。將最終得到的植被覆蓋變化值在ArcGIS 10.2軟件中繪制植被覆蓋時空格局的變化圖 (圖2)。

2.2 植被退化區域的土地利用變化分析

根據臨安2001—2015年植被覆蓋時空格局變化圖，我們發現植被退化的區域占到了臨安林地總覆蓋面積的97%，而植被覆蓋增加的區域只占林地總面積的3%，臨安整個地區的植被覆蓋呈下降趨勢，所以本研究在植被退化區域展開對土地利用變化的分析，下面的相關研究也在臨安植被退化區域開展。在ArcGIS 10.2軟件中用空間疊加分析將植被退化地區的柵格分別和2001年、2015年一級分類土地利用圖進行空間疊加(臨安1∶10萬土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心)。計算2001年到2015年植被退化區域的土地利用變化，制作土地利用變化矩陣表(表1)，行名為2015年土地利用類型，列名為2001年土地利用變化類型。

表1 臨安2001—2015年植被退化區域土地利用變化矩陣

圖2 2001—2015植被覆蓋時空格局和變化圖Fig.2 Spatiotemporal patterns and dynamics of vegetation cover between 2001 and 2015

圖3 政策覆蓋地區和未覆蓋地區的樣方Fig.3 Randomly selected samples inside and outside policy implementation areas

2.3 影響植被退化多要素空間數據集

2.3.1 實驗組和對照組的選擇

根據浙江省林業廳提供的臨安國家級公益林、省級公益林以及市縣級公益林區劃邊界圖，在ArcGIS 10.2軟件中制作公益林矢量邊界圖。根據植被覆蓋時空格局圖在植被退化地區隨機選取落在政策邊界內的柵格作為本研究的實驗組，政策覆蓋邊界外的柵格為對照組。在植被退化區域隨機分別選取實驗組和對照組各10%的柵格數量。實驗組柵格的選取確保柵格面積的90%以上都落在每塊完整地公益林林斑內，在政策未覆蓋區隨機選取相同柵格個數作為政策的對照組 (圖3)。

2.3.2 多要素空間數據集的建立

本研究在ArcGIS 10.2軟件中根據臨安地理矢量邊界圖制作250 m精度的網格矢量圖，網格大小與 MODIS3Q遙感影像柵格大小一致，通過地理配準使網格矢量圖與NDVI柵格圖在空間地理位置上保持一致。根據重點生態公益林實施的時間(本研究以2005年為政策實施的起始年份，即公益林區劃完成和開始實施經濟補償的起始年份)和NDVI數據得到政策覆蓋區和未覆蓋區2001—2004和2005—2015年平均NDVI的差值。通過美國航空航天局收集臨安30 m精度的高程數據，根據高程數據計算地形濕度指數(Topographic Wetness Index)[22]。計算公式如下：

W=ln(α/tanβ)

(1)

式中，W為地形濕度指數；α為單元柵格的匯流面積(m2/m)；β為局部坡度，在計算式坡度值轉化為弧度值。將公益林保護政策邊界圖，地形濕度指數，每個柵格NDVI初始值和政策實施前后的NDVI差值，通過ArcGIS 10.2空間連接工具和250 m精度的網格矢量圖進行空間連接和賦值。根據臨安2015年1∶10萬土地利用地形圖提取每個鄉鎮中心城鎮用地面積。計算中心城鎮用地、道路、主要水系及臨安重點森林保護區距離實驗組和對照組柵格的直線距離。

2.4 植被變化和相關影響因素的多元回歸分析

通過ArcGIS 10.2制作的空間數據庫，提取2001—2004年植被NDVI均值作為植被覆蓋初始值，政策實施前后的NDVI差值作為植被覆蓋變化值；實驗組和對照組距離重點森林保護區、主要建成區、主要河流水系及道路的距離；實驗組和對照組每個柵格的海拔值和地形濕度指數值。其中，公益林政策邊界覆蓋的柵格記為1，政策未覆蓋地區柵格記為0。對海拔(m)、距離道路(m)、建成區(m)、水系(m)和重點森林保護區的距離(m)作對數處理。本研究的因變量為政策實施后11年平均值與政策實施前4年的平均值之差，自變量為植被覆蓋初始NDVI，國家級公益林補償政策，海拔(m)、道路和中心城區距離(m)、重點森林保護區的距離(m)，地形濕度指數。在本研究中我們用多元回歸模型評估政策的實施、自然地理因素、城市化和人類活動因素對臨安植被退化的影響，用線性回歸方法對植被退化的影響因素進行分析，多元線性回歸分析的過程在 Stata 14軟件中進行。

3 結果

3.1 植被覆蓋時空格局和變化

植被覆蓋時空格局和變化圖(圖2)揭示了臨安2001—2015年植被覆蓋隨時間的變化，植被覆蓋變化等級數值為負數意味著植被覆蓋在15年間呈退化趨勢，數值大小代表植被退化程度的高低；正值代表植被在15年間是增長趨勢。臨安15年間柵格斜率為負值的個數為13233個，柵格斜率為正值的個數為435個，植被退化的面積約占臨安林地總面積的97%。通過植被變化空間圖和杭徽高速的空間疊加我們可以清楚地發現高速公路周邊地區的植被退化等級和退化密度遠高于其他臨安其他地區。臨安東南地區的植被退化程度高于西北地區。

3.2 植被退化地區土地利用變化

2001—2015年，臨安植被退化地區土地利用變化最強烈的表現為耕地和建成區之間的轉化。共有7.594%的耕地在15年內陸續轉化為建成區。林地和建成區面積之間的轉化率位于第二，共有0.538%的林地面積轉化為建成區面積。根據土地利用變化的結果，在一定程度上我們可以推斷臨安植被退化的重要原因之一可能在于城市化背景下，城市擴張的加劇導致了近郊或遠郊地區耕地和農田的占用。

3.3 影響植被退化的多元回歸分析

植被退化影響因素多元回歸分析的結果表明(表2)海拔(P< 0.001)、距離河流距離(P< 0.01)、中心城鎮用地(P< 0.001)、重點森林保護區的距離(P< 0.001)和重點公益林保護政策 (P< 0.001)對植被退化呈顯著負相關，這說明這些影響因素對植被覆蓋上升具有積極影響。地形濕度指數和道路的距離(P< 0.001)與植被退化呈顯著正相關，修建道路會引起植被的退化。根據距離道路和中心城鎮的距離所反映出對植被退化的不同影響，我們發現人類活動對植被的影響是雙向性的，中心城區的人類活動會對植被起到一定的修復作用。標準化系數的值表示每個自變量對因變量的影響程度的高低，海拔、距離森林重點保護區和中心城鎮的距離對植被的變化具有顯著影響，道路、生態補償政策和河流對植被覆蓋的影響位居其后。模型的擬合度R2為0.342。

表2 植被退化影響因素多元回歸分析

該多元回歸模型的因變量為政策實施前后植被覆蓋NDVI的差值，自變量為海拔、距離重點森林保護區的距離、距離中心城鎮用地距離、道路距離、重點生態公益林補償政策、距離河流的距離和植被覆蓋初始值。其中海拔，距離重點森林保護區的距離、距離中心城鎮用地距離、重點生態公益林補償政策、距離河流的距離和植被退化呈顯著負相關。地形濕度指數、道路距離對植被退化具有顯著的正效應。該模型的擬合度R2為0.342。***P< 0.001,**P< 0.01,*P< 0.05

4 討論

4.1 經濟發展與林地保護的權衡

在改革開放至今的近40年內，中國經歷了一場史無前例的人口遷移運動，中國的城市人口比例從1978年的18%上升到2016年的56%，快速城市化的過程中所產生的一些環境問題至今仍未解決[2-3,23-24]。植被作為城市生態系統內眾多組成要素之一，影響著城市的可持續發展以及城市中生活的每一位人的生活質量。在最近的幾十年間，越來越多的國家和政府逐漸意識到植被保護對地區發展的重要性，各國政府逐漸實施一系列森林保護政策，歐洲、拉丁美洲的部分發達國家以及包括中國在內的亞洲主要的發展中國家都相繼推出了各自的植被保護政策，加入了植被恢復的隊伍[7,11,25- 27]。長三角城市群作為中國城市化發展最為快速的地區，其在快速城市化進程中土地利用的變化十分劇烈，其中大量耕地和林地轉化為城市建設用地[27- 31]。

臨安區位于浙江省浙西北山地水源涵養林保護區，境內有天目山和清涼峰兩處國家級自然保護區，還有青山湖國家級森林公園，大明山省級風景名勝區等，生態位十分敏感[20]。近年來，通過珍稀瀕危動植物資源，濕地資源清查、建設古樹名木拯救保護與發展項目等，臨安區的森林、濕地得到一定的恢復和發展。在這樣一個背景下，臨安2001—2015年植被覆蓋變化的定量分析的結果仍然顯示臨安植被退化地區的面積約占林地總面積的97%(圖4)，雖然從植被覆蓋變化等級區間中我們可以看出大部分的柵格退化程度都一般，退化程度十分嚴重的柵格占比不高，但是總的退化趨勢仍然不容樂觀。通過臨安土地利用變化矩陣我們也發現了在過去15年內城市發展對耕地和林地資源的占用確實是城市擴張過程中存在的問題(表1)。

在查閱了相關研究論文及政府文件后我們發現臨安植被在15年間呈現出退化趨勢可能有以下幾點原因：

第一，城市發展對生態資源的需求越來越大。近十年間臨安區的林地保護在一系列政策的驅動下取得了一定的成效，但是城市化的快速擴張使得人們對林地資源的需求大于供給，國家近些年加大了對耕地的政策保護，林地在一定程度上成為了耕地開發的替代品。近幾年來無論是城市擴展，工業發展還是交通建設，對林地的占用量越來越大，林地保護壓力大。

第二，臨安林地結構不盡合理。主要表現為：林種結構中用材林比例偏多，經濟林比例偏少；林齡結構上幼齡林占絕對優勢，成熟林、過熟林面積和蓄積明顯偏少，由于竹林面積大，可供采伐利用的成熟林、過熟林資源偏少。

第三. 林地保護利用管理有待進一步規范。雖然臨安在2007年就編制了《臨安市林地保護利用規劃》，但長期以來，由于人們對林地保護利用認識上存在差距，在一定程度上影響了林地的保護和管理，節約用地、集約用地的理念還有待深化。

經濟發展與環境保護的權衡是一個重要而困難的問題，我國正處于一個快速城市化階段，將經濟發展置于優先地位的同時也要正確看待經濟發展帶來的環境問題。林地作為林業發展重要的物質基礎，也是有效控制森林資源消耗、促進其生態防護效益，實現國民經濟健康可持續發展的重要保障。所以，制定有效的林地保護政策是生態林業建設的基礎，也是林業經濟可持續發展的基礎。

4.2 環境因子對植被變化的影響

山區物種豐富，生態系統類型多樣，海拔梯度由于包含了溫度、濕度、光照等諸多環境因子的劇烈變化而成為研究植物對氣候變化響應的重要因素。在植被覆蓋變化影響因素的多元回歸分析中，海拔對臨安的植被生長具有正效應。海拔是一個重要的地形因子，溫度受海拔的影響最大，一般溫度會隨著海拔升高而降低，從而對植物生長產生影響[30,32]。由于氣溫和土壤相關性極為顯著，因此土壤溫度隨著海拔升高也逐漸降低。土壤溫度影響土壤化學過程的速度，也影響到凋落物的分解速率，因此影響到可提供給植物的有效營養元素的供給[33]。所以，高海拔過低的土壤溫度不利于土壤有機質的轉化，這也是高海拔植物生長受限的一個重要原因[34]。

通過臨安整個地區的高程數據(圖1)和臨安植被覆蓋變化時空格局圖(圖2)我們發現臨安植被退化區域集中在海拔較低的區域，雖然海拔是限制植物生長的一個重要地形因子，但是臨安高海拔地區的植被大部分都被列入了國家重點生態公益林保護區，人類活動對這些區域的影響非常小，植被退化最嚴重地區的海拔高度小于500 m, 這些地區植被生長的自然環境優于高海拔地區，但是植被會頻繁受到人類活動的影響，因此對于臨安而言，高海拔意味著低影響和政策保護，所以海拔在臨安地區的植被覆蓋增加是有積極作用的。水分是影響植被物候期生長最主要的自然因子之一[33]。作物生長發育受水分強烈影響，充足的水分條件可以促進植被的生長[34]。水分也會影響土壤濕度，土壤的濕度影響到凋落物的分解速率，這也解釋了為何距離河流越近的地區的植被退化程度低。地形濕度指數是對研究地區各點潛在土壤水分含量和徑流產生潛在能力的量化，地形濕度指數越大，土壤越容易達到飽和而產流，徑流對沖刷掉土壤內含有的養分和有機質，從而影響植被的生長狀況[22,35]。

4.3 城市化及人類活動對植被變化的影響

道路和中心城區的面積作為人類活動高度相關的一個重要因素對植被的生長具有重要的影響[7,36]。道路影響其周圍的物理化學環境，物理化學環境的改變會造成道路周邊小氣候和小環境的改變。周邊的化學環境由于道路釋放的化學物質而改變，如重金屬、臭氧和營養物，以致植物受到脅迫，這些理化因子的分布規律和分布距離會影響植物受到脅迫的程度[37]。本研究結果顯示距離道路的距離越近植被退化越嚴重，該結果和上述研究結果一致。中心城鎮用地面積的擴張也是和人類活動密切相關的一個城市化指標，本研究結果顯示距離城市中心區越近，植被退化越低。相關研究發現，植被退化的趨勢總體上是沿著農村到城市的梯度逐漸增加，但是越往城市中心區，植被的退化程度會下降，城市中心區由于文化、經濟和其他社會要素的作用往往具有較高的植被覆蓋[38- 39]。通過臨安中心城鎮植被覆蓋變化(圖4)我們發現臨安中心城鎮所在區域的植被覆蓋狀況良好，植被覆蓋退化的柵格數量很少，即使是臨安區中心錦城街道周邊的植被退化也不明顯。

4.4 重點生態公益林補償政策的效應

植被的生長狀況受到人類活動、自然、社會因素等的影響[7]。政策作為間接驅動因子影響著植被覆蓋變化，政策可以影響人類活動和管理措施，通常可以扭轉生態系統的退化趨勢[40- 41]。在植被退化影響因素的多元回歸分析中我們發現政策確實促進了臨安地區植被的恢復。除了重點生態公益林外，臨安重點森林保護區的植被也得到了恢復。為了進一步探究政策在植被變化空間格局上產生的影響，我們分析了政策覆蓋和未覆蓋地區植被覆蓋的空間格局(圖5)，通過該空間分析,發現公益林覆蓋區的植被退化柵格數量遠遠小于政策未覆蓋地區。雖然臨安2001—2015年植被覆蓋總體呈現下降趨勢，但是公益林補償政策覆蓋地區的植被下降速度和下降面積比例遠低于政策未覆蓋地區，可見政策補償對臨安植被保護具有重要作用。

圖4 臨安中心城鎮植被覆蓋變化格局圖Fig.4 Patterns of vegetation cover change in urban area at Lin′an

圖5 政策覆蓋和未覆蓋地區植被覆蓋變化對比圖Fig.5 The comparison of vegetation cover changes inside and outside policy implementation areas

結合國家林業局《國家級公益林管理辦法》政策文件和本文對重點生態公益林的量化結果，針對臨安2001—2015年植被退化可能存在的原因，本研究針對臨安的植被恢復和后續政策的有效實施提出以下兩點建議：

第一，重點生態公益林的管理應該根據生態位的敏感程度和生態地位的重要性進行分級保護和管理，在不破壞森林生態系統的前提下，保護植被的過程中也應該提倡合理利用。

第二，嚴格鑒定和區分部分經濟林和用材林。地方各級林業主管部門在公益林區位劃定過程中要嚴格把關，對于部分經濟林和用材林應該提倡科學經營，發展林業經濟。尤其是竹林，應該制定擇伐和疏伐規則，在保護林業資源的基礎上也可以提高當地村民的經濟收入，提高村民參與植被保護的積極性。

5 結論

本文通過NDVI植被指數量化了臨安2001—2015年植被變化的趨勢，15年間臨安97%的林地都遭受到不同程度的退化，植被退化區域土地利用變化轉移矩陣揭示了臨安最為劇烈的土地利用變化為耕地和林地轉化為建成區用地。通過植被在政策實施前后的NDVI差值和政策、自然因素和人類活動因子之間建立多元回歸模型，本研究發現公益林補償政策、海拔高度、河流距離、中心城鎮距離促進植被生長，道路和地形濕度指數對植被覆蓋變化呈現負相關。通過對比政策覆蓋與未覆蓋地區植被覆蓋變化和他們各自占林地總面積的比例我們發現重點生態公益林覆蓋區的植被退化柵格數量遠遠小于政策未覆蓋地區。公益林補償政策的實施對加強植被的保護，限制不合理的林地利用具有十分重要的積極作用。